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nota técnica
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Drivers, fuentes conmutadas o fuentes
switching para iluminación con leds
Parte II
Por Carlos N. Suárez, Marketing Técnico
ELT Argentina S. A.
B. Rectificador
En el osciloscopio “A” se aprecia
aumento de la carga (cantidad de
El rectificador de la fuente switching
la forma de onda senoidal prove-
es el encargado de convertir la
niente de la red. Luego del puente,
tensión alterna, obtenida directa-
la forma de onda espeja su parte
Aquí existe un dilema: o bien
mente de la red de alimentación,
negativa, convirtiéndola en positi-
colocamos un capacitor lo suficien-
en tensión continua, para luego ser
va. Si bien teóricamente se trata
temente grande para tener una
entregada al oscilador (previo paso
de tensión continua, se dice que
forma de onda continua que no va-
por el corrector del factor de poten-
la forma de onda resultante es una
ríe demasiado con la carga, lo que
cia). Para ello se utiliza un puente
“continua pulsante”.
aumentaría notablemente el tamaño
de diodos rectificadores (los cuales
leds) que se coloque.
y el costo de la fuente switching, o
hemos mencionado anteriormente
Ahora, es momento de integrar
bien colocamos un capacitor peque-
en este artículo). Esto permite el
esa forma de onda y convertirla
ño para reducir el costo y el tamaño
paso de la corriente en un único
en una constante. Para ello, debe
de la fuente, lo que aparejaría que la
sentido (en ambos semiciclos de la
colocarse un capacitor. Cuanto
forma de onda continua se deforme
forma de onda senoidal de línea).
mayor sea el valor del capacitor,
con el aumento de la carga.
Observe la forma de onda resul-
mejor será la calidad de la forma de
La realidad es que esto depende
tante una vez que la corriente circula a
onda continua, lo que significa que
tanto del diseño como de la tecno-
través del puente de diodos (figura 15).
no se deformará demasiado con el
logía empleada por el fabricante.
Figura 15
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Observe la forma de onda resultante cuando la fuente de alimentación
no tiene carga (figura 16).
De esta forma arribamos a una
forma de onda continua, cuya amplitud coincide con el pico de la forma
de onda de red, o sea, 310 volts
(220 V .√2). La forma de onda con-
Figura 16
tinua se mantendrá perfectamente
plana mientras no se aplique carga a
la fuente, causa por la cual el capa-
cador tiene un camino por donde
tensión continua se va deformando,
citor se mantiene siempre cargado.
drenar su corriente y se descarga,
alejándose de una recta constante
antes que la forma de onda que
como hemos visto con anterioridad.
Tensión de ripple
proviene del puente de diodos lo
Observe lo que sucede si se
Ahora vayamos a la realidad. La
pueda cargar nuevamente. Obser-
conecta una carga más grande a
ve la imagen de la figura 17.
la fuente (entiéndase por carga
verdad es que las fuentes nunca
funcionan en vacío, cuestión com-
El capacitor se carga con la for-
más grande, aquella que consuma
pletamente lógica, las utilizamos
ma de onda pulsante que proviene
mayor nivel de corriente, o lo que
con el objetivo de alimentar algo.
del puente de diodos. Cuando la
es lo mismo, que represente menos
Lo más probable es que, por una
señal llega a su pico máximo y
impedancia).
cuestión económica, la fuente
comienza a descender, el capacitor
switching siempre se mantenga
comienza su descarga a través de
La pendiente de descarga del
funcionando a plena carga (con el
la carga de fuente. La velocidad con
capacitor se acentúa, lo que signi-
nivel de corriente o tensión máxima
la cual el capacitor se descargue,
fica que se está descargando con
que ésta pueden suministrar).
depende de la corriente que con-
mayor velocidad. La forma de onda
A medida que la fuente se va
suma la carga que se conecta a la
se parece cada vez más a la conti-
cargando, el capacitor del rectifi-
fuente switching. De esta forma, la
nua pulsante del puente de diodos,
alejándose de la idealidad plana de
la fuente sin carga (figura 18).
A la amplitud desde el pico de
la forma de onda hasta el punto de
descarga mínimo del capacitor, se
la llama “tensión de ripple”. Para
independizarse de los diversos
modelos de fuentes (con diferentes
valores de tensión y corriente) es
muy común definir el ripple relativamente, como el porcentual entre
Figura 17
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la tensión de salida de la fuente
y la tensión de ripple. Observe la
imagen de la figura 19.
Una fuente de buena calidad,
no deberá superar un porcentual
de ripple del 20%.
El porcentual de ripple es un
dato muy común que figura en
las hojas técnicas de las fuentes
Figura 18
switching. A medida que este parámetro aumenta, los leds reducen
su rendimiento luminoso.
¿Cómo mejorar esta condición?
Pudimos ver hasta el momento
que el porcentual de ripple es un
parámetro negativo, a medida que
aumenta, la fuente es de menor
calidad y viceversa. Una forma de
reducir el porcentual de ripple, es
aumentar el valor del capacitor del
Figura 19
rectificador para que éste tarde más
tiempo en descargarse, producto
de que almacena mayor cantidad
determina la vida útil de la fuente.
altas temperaturas de trabajo (en el
de carga.
Estamos en condiciones de decir
orden de los 105 ºC) para que su
El capacitor del rectificador es
que el tiempo de vida de una fuente
vida útil se prolongue. Obviamente,
un componente muy voluminoso y
switching coincide con el tiempo de
esto también aumenta el costo de
caro. Aumentar su valor provocaría
vida del capacitor del rectificador.
la fuente (figura 20).
que la fuente cambie radicalmente
su costo y tamaño.
Por ello es importante que los
capacitores del rectificador toleren
Ventajas tecnológicas
Afortunadamente, la tecnología
Por otra parte, el capacitor del
de la etapa correctora del factor
rectificador es el componente más
de potencia (etapa siguiente en el
crítico de la fuente switching. El
diagrama en bloques de la fuente)
mismo se degrada notablemente
cuenta con un parámetro llamado
con la temperatura y el paso del
“rechazo de ripple”. El rechazo de
tiempo, a tal punto, que se convier-
ripple es la capacidad que tiene el
te en el componente “fusible” que
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Figura 20
corrector del factor de potencia de
rechazar la tensión de ripple y ha-
switching, debe proveer un circuito
Pasivamente: utilizando com-
cer que la señal sea más continua.
de corrección del factor de potencia,
ponentes discretos, como ser
Esta es una característica del chip
integrado en la misma placa.
bobinas, resistores, diodos, etc.
que se encarga de la corrección
Esta etapa, si bien no hace al
Con este tipo de circuitos pueden
del factor de potencia, por lo tanto,
funcionamiento de la fuente en sí,
obtenerse valores aceptables de
aquellas fuentes que no tengan
minimiza el impacto del circuito del
factor de potencia en el orden de
una corrección digital del factor
driver en la red de alimentación
0,9. Sin embargo la distorsión ar-
de potencia, no cuentan con esta
alterna. Por otra parte, el hecho
mónica resultante oscila el 25%.
característica.
de que un circuito presente carga
Ciertos modelos de fuentes
capacitiva, representa un riesgo si
En la figura 21 se muestra un
switching podrán hasta prescindir
fuese alimentado, por ejemplo, con
corrector activo, a través de un chip
del capacitor del rectificador, de-
estabilizadores de tensión o grupos
de montaje SMD con su respectivo
pendiendo del nivel de rechazo
electrógenos.
transistor MOSFET (corrector de
de ripple que tenga el integrado
Esto se debe al efecto de reso-
corrector del factor de potencia.
nancia, que puede disparar la tensión
Esto supone tres ventajas funda-
del estabilizador o grupo electrógeno
mentales:
a valores superiores respecto de la
- Reducción del tamaño de la
tensión de salida especificada.
última generación).
fuente
- Reducción del costo de la fuente
Recuerde que un factor de
- Aumento de la vida útil de la
potencia no corregido se expone
fuente, por ausencia del compo-
al cobro de la potencia reactiva
nente más sensible
consumida y/o aplicación de multas
Figura 21
por valores fuera de los parámetros
C. Corrector del factor de potencia
Rechazo de ripple
mínimos reglamentarios.
Una fuente switching puede co-
Como hemos comentado con
Contrariamente a lo que esta-
rregir el factor de potencia básica-
anterioridad, el hecho de utilizar
mos acostumbrados, el factor de
mente de dos formas, dependiendo
una corrección activa del factor
potencia en las fuentes electróni-
de la tecnología aplicada:
de potencia a través de un circuito
cas es capacitivo. Por lo tanto no
Activamente: en este caso, el
integrado especialmente diseñado
lo podemos corregir colocando un
circuito del driver incorpora un chip
para tal fin nos trae como beneficio
capacitor como lo hacemos con las
especialmente diseñado para la
que, además, podemos omitir el ca-
cargas inductivas. La pregunta que
corrección del factor de potencia y
pacitor electrolítico que actúa como
se nos plantea en esta instancia es:
contenido armónico (THD). Utilizan-
filtro en la etapa del rectificador.
¿cómo hacemos para corregirlo?
do este método se obtienen valores
Esto se debe a una característi-
No podemos hacerlo exter-
muy exactos y estables de factor de
ca especial del circuito corrector
namente o sería completamente
potencia, entre 0,95 y 0,98. La dis-
llamada “rechazo de ripple”. El
engorroso y antieconómico. Por
torsión armónica resultante (THD)
circuito integrado (chip) con el
lo tanto, el fabricante de la fuente
oscila entre el 5 y el 10%.
cual está diseñado el corrector
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del factor de potencia activo tiene
ejemplo, 50.000 veces por segundo
la capacidad de filtrar la continua
(50 kHz), alternando la corriente
pulsante proveniente de la etapa
continua proveniente de la etapa
previa (rectificador). De esta forma,
correctora del factor de potencia.
evitando colocar uno de los compo-
La información que controla el
nentes más sensibles de la fuente
transistor proviene del control del
switching, se prolonga la vida útil
oscilador (figura 23). de la misma y se reduce la probabilidad de falla, fundamentalmente
Transistor (llave electrónica)
en ambientes de alta temperatura,
La producción de tensión alter-
donde la degradación de los capa-
na se realiza recortando la tensión
citores electrolíticos es progresiva
continua que proviene de la etapa
(figura 22).
anterior. Esta tarea es delegada
(MT1 y MT2) al recibir un campo
en un componente electrónico
magnético en un tercer terminal
D. Oscilador
llamado transistor que, entre otros
llamado “gate”.
El oscilador es el verdadero
usos, puede utilizarse como llave
La utilización de transistores
sentido de utilizar una fuente de
electrónica. Existen transistores es-
Mosfet hace que la fuente au-
tipo switching. Es ni más ni menos
peciales diseñados para ser utiliza-
mente su rendimiento, pero al
que el encargado de producir la
dos en osciladores. Los Mosfets
mismo tiempo, el circuito se torna
alta frecuencia que alimentará al
(transistores de efecto de campo
mucho más sensible. Cualquier
transformador reductor. Todas las
de compuerta aislada) tienen la
campo magnético o transitorio de
etapas que hemos visto hasta el
capacidad conmutar a muy altas
red puede ser interpretado por
momento no son más que soportes
velocidades sin consumir corriente
los Mosfets como información
para que el oscilador funcione de
para realizar esta tarea.
para abrir o cerrar. Por esta razón
manera eficiente y segura.
Figura 23
es tan importante disponer de un
Para producir la alta frecuencia,
¿Cómo operan los MOSFET?
buen filtro de línea correctamente
una llave electrónica (transistor)
Cierran o abren como si fueran
conectado a tierra.En la figura 24
abre y cierra a la frecuencia de
una llave electrónica que se en-
se ilustra un transistor MOSFET, en
funcionamiento de la fuente, por
cuentra entre dos de sus terminales
tecnologías de montaje THT y SMT.
Figura 22
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Figura 24
la tensión en el transistor una vez
troles se utilizan, con transistores
que se produce el cierre de la lla-
bipolares, dado que se deben
ve electrónica y de esta forma se
sumar componentes que aseguren
asegura el corte. Esta operación se
remover el campo magnético del
realiza una y otra vez. Las desven-
gate en el caso de utilizar Mos-
tajas desde el punto de vista circuital
fets, característica que un control
y de rendimiento son varias:
activo ya tiene incorporada.
a) Circuito de arranque adicional
Es necesario un circuito adicio-
c) Aumento de temperatura
Control del oscilador
nal de arranque que ponga el osci-
El núcleo de la bobina de reali-
El control del oscilador es lo
lador a funcionar en el momento en
mentación maneja la temperatura.
que le informa a la llave electrónica
que se enciende la fuente. Una vez
Esto no solo reduce el rendimiento
cuándo debe abrir o cerrar y con
que el oscilador arranca, el circuito
de la fuente sino que impacta tanto
qué frecuencia hacerlo. También
de arranque sale de servicio. Po-
en la vida útil de la bobina, como en
debe garantizar que, si se utilizan
dríamos decir que es comparable a
el del resto de los componentes.
transistores MOSFET, el campo
un ignitor o arrancador como el que
La imagen de la figura 25 mues-
magnético se remueva en su tota-
utilizamos en las lámparas. Sumar
tra un control analógico de oscilador.
lidad para que la llave electrónica
componentes para implementar
cierre. Todo tipo de deficiencias
este circuito, también aumenta en
e inexactitudes en la información
cierta forma la probabilidad de falla
que se derive al transistor incurre
de la fuente.
en una baja de rendimiento de la
fuente switching.
b) Menor rendimiento
Los circuitos pasivos pierden
Existen dos tipos de controles:
potencia en los bobinados que
Control analógico: se utilizan
manejan el o los transistores que
componentes pasivos. Básicamen-
funcionan como llave electrónica.
te, una bobina realimentada invierte
Generalmente, este tipo de con-
Figura 25
Tipo de Llave Electrónica del Oscilador
Transistor Bipolar
Transistor Mosfet
Rendimiento de la Fuente
Costo de la Fuente
Sensibilidad del Circuito
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Control activo:
En este caso, el control sobre
E. Transformadores reductor
de HF
a la tensión final que se querrá
obtener en la salida de la fuente
la llave electrónica se delega en un
Ahora que disponemos de una
switching. Esta tensión, será con-
circuito integrado (chip) especial-
tensión alterna de alta frecuencia,
trolada por la etapa de regulación
mente diseñado para esta opera-
proveniente del oscilador, podemos
(figura 27).
ción. Esto asegura que el cierre y la
aplicarla al bobinado primario de un
apertura del transistor se efectúen
transformador. El transformador se
Aislación de la red
de la manera más eficiente. No es
hace notablemente más pequeño,
El transformador de HF, ade-
necesario un circuito de arranque,
conforme el aumento de frecuencia,
más, proporciona uno de los pa-
y la cantidad de componentes de la
y las pérdidas, tanto en el cobre
rámetros fundamentales de una
fuente se reduce considerablemen-
como en el hierro son desprecia-
fuente switching: la aislación res-
te. Este tipo de chips se relaciona
bles. Cabe aclarar que los trans-
pecto de la red.
perfectamente con transistores
formadores de alta frecuencia no
Mosfet, con lo cual se obtiene un
utilizan hierro en el núcleo sino fe-
Observe la flecha roja en la
conjunto de componentes eficien-
rrita (material magnético cerámico).
figura 28. La tensión aplicada al
tes dentro del oscilador.
La imagen de la figura 26 muestra un control de oscilador activo.
primario del transformador tiene
La tensión alterna disponible
conexión directa con la red de
para la alimentación del transfor-
alimentación, lo que significa que
mador de alta frecuencia (trans-
entre dicho punto y tierra hay un
formador HF) tiene una amplitud
alto potencial (vea la lectura del
de aproximadamente 400 V, 310V
primer voltímetro). El transformador
debido a la rectificación de los 220V
desacopla el circuito, aislando la
de red (220 V .√2) más un incre-
salida de la fuente del potencial de
mento de tensión producido por
red respecto de tierra (vea la lectura
el corrector del factor de potencia.
del segundo voltímetro).
El transformador de HF reducirá
Pero no todas las fuentes es-
esa tensión a valores superiores
tán aisladas de la red, puesto que
Figura 26
El nombre de fuente switching
(conmutación) deriva de la apertura y el cierre a alta velocidad del
transistor o los transistores que
componen la llave electrónica del
oscilador. Podemos decir que esta
etapa le pone el nombre a la fuente.
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Figura 27
Figura 28
Figura 29
construir un transformador tiene
tierra y toque la salida de la fuente
aislación respecto de la red quedan
dificultades propias de fabricación
switching, sería afectado por una
fuera de la norma y representan
y aumenta el costo final de la fuen-
descarga eléctrica. Observe la
un alto riesgo para la vida de los
te. Muchas veces se opta por un
figura 29.
usuarios.
autotransformador, cuya forma de
La norma IEC 60950 establece
construcción es notablemente más
que la aislación entre la entrada y la
sencilla y el costo final de la fuente
salida de una fuente switching, no
es menor.
deberá ser inferior a 3.000 volts. Es
Nota del editor: la primera parte
Esto supone un riesgo para las
entonces el transformador de HF el
de este artículo técnico fue publicado
personas, puesto que cualquier
que se encarga de esta desvincu-
en la edición 119 de Luminotecnia, de
sujeto que tenga contacto con
lación.Todas aquellas fuentes sin
septiembre - octubre de 2013
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